水电机组灰色模糊PID调速器设计与仿真

在当前的环保压力和能源压力下,降低火电比重已成为大势所趋。然而随着各种清洁能源的发电出力不断提升,能源不稳定、更多电力电子设备的引入等诸多因素都会对系统稳定造成一些负面影响。水能是一种相对比较稳定和容易控制的清洁能源,在我国多个地区都有可利用的水力资源。但是“水锤效应”却使得水电机组的调速过程更加复杂,限制了水电机组在维持系统稳定中发挥更多的作用。因此本文考虑采用一种新型的控制策略来控制水电机组的调速器,以期能达到提升调速性能、进而提高电力系统稳定性的目的。本文对调速器在有功功率平衡和系统频率稳定中的作用进行了简要介绍,对多种控制策略与方法的特点以及应用也进行了综述。针对水轮机的特殊特性,最后选择了采用由一种智能控制方法——模糊控制、一种预测方法——灰色预测以及最常用、最简单的PID控制器结合而得的综合控制策略,设计了一种灰色模糊PID控制器,为了对其控制效果做出初步验证,将其应用于一个简单的三阶系统中,并使用MATLAB进行动态仿真研究。为了验证该控制器对于水电机组调速系统的控制作用,本文对水电机组单机无穷大系统进行了建模和仿真。为了更好地反映系统的振荡特性,对于引水管道和水轮机,采用了考虑弹性水锤效应的线性化模型。分别考虑满载和半载两种情况对系统进行扰动仿真,在与常规PID调速器、灰色PID调速器的比较中,证明了所设计的灰色模糊PID调速器对水电机组的调速特性具有明显的改善和优化作用,实现了提高系统稳定性这一目标,并且对于系统的运行工况具有一定的鲁棒性。在进行了水电机组单机无穷大系统的仿真后,为了对该调速器的控制性能做出进一步的验证,建立了一个三机九节点系统的模型,分别对持续的电磁力矩扰动、一回线路三相短路随后故障切除这两种情况进行模拟,对各个机组的转速和功角变化情况进行仿真研究。与传统PID调速器的比较证明,本文所设计的灰色模糊PID调速器可以使发电机的转速更快地稳定下来,机组之间的功角也得以更快地进入一个新的稳态,整个系统的稳定性都得到了提升。